Ruch elektronu w silnym polu lasera podczerwonego jest śledzony w czasie rzeczywistym za pomocą nowatorskiej metody opracowanej przez fizyków MPIK i zastosowanej do potwierdzenia teorii dynamiki kwantowej przez współpracujących naukowców z MPI-PKS. Podejście eksperymentalne łączy widmo absorpcji jonizującego impulsu ekstremalnego ultrafioletu z ruchem swobodnych elektronów napędzanym przez następujący po nim impuls bliskiej podczerwieni. Ich artykuł został opublikowany w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.

W przypadku tego schematu eksperymentalnego klasyczny opis ruchu elektronu jest uzasadniony, mimo że jest to obiekt kwantowy. W przyszłości zademonstrowana tutaj nowa metoda dla helu może być zastosowana do bardziej złożonych układów, takich jak większe atomy lub cząsteczki w szerokim zakresie intensywności.

Generowanie wysokich harmonicznych, a mianowicie konwersja światła optycznego lub bliskiej podczerwieni (NIR) do reżimu ekstremalnego ultrafioletu (XUV), ma fundamentalne znaczenie dla fizyki silnego pola, ponieważ jest procesem skrajnie nieliniowym. W słynnym trójstopniowym modelu pole światła sterującego (1) jonizuje elektron poprzez jonizację tunelową, (2) przyspiesza go z powrotem do jądra jonowego, gdzie elektron (3) ponownie zderza się i emituje światło XUV, jeśli rekombinuje .

W nowym podejściu eksperymentalnym w Instytucie Fizyki Jądrowej Maxa Plancka (MPIK) w Heidelbergu fizycy z oddziału Thomasa Pfeifera zastąpili pierwszy krok jonizacją pojedynczego fotonu XUV, co ma podwójną zaletę. Po pierwsze można wybrać czas jonizacji względem fazy NIR. Jonizacja tunelowa zachodziłaby tylko w maksimum pola. Ekstremalnie krótki impuls XUV ma długość zaledwie setek attosekund, zapewniając kontrolowany i dobrze zdefiniowany start zegara. Po drugie, laser NIR można dostroić do niskich intensywności, przy których praktycznie nie jest już możliwa jonizacja tunelowa. Pozwala to na badanie ponownego zderzenia elektronów napędzanego silnym polem w przypadku granicznym o niskiej intensywności.

Zastosowana technika to attosekundowa spektroskopia absorpcji przejściowej (rys. 1) wraz z rekonstrukcją zależnego od czasu momentu dipolowego, która została opracowana wcześniej w grupie skupionej wokół Christiana Otta dla związanych elektronów. Tutaj technika ta jest rozszerzona na swobodne elektrony i łączy zależny od czasu moment dipolowy z klasycznym ruchem (trajektoriami) zjonizowanych elektronów.

„Nasza nowa metoda, zastosowana do helu jako układu modelowego, łączy widmo absorpcji światła jonizującego z trajektoriami elektronów” – wyjaśnia Ph.D. uczeń Tobias Heldt. „To pozwala nam badać ultraszybką dynamikę za pomocą pojedynczego pomiaru spektroskopowego bez konieczności skanowania opóźnienia czasowego w celu komponowania dynamiki klatka po klatce”.

Pomiary pokazują, że dla niektórych parametrów eksperymentalnych prawdopodobieństwo cofnięcia elektronu do jonu może być większe, jeśli fala świetlna nie jest spolaryzowana liniowo, ale kołowo. Jest to sprzeczne z intuicją odkrycie, które zostało jednak przewidziane przez teoretyków. Klasyczne symulacje przeprowadzone przez Jonathana Dubois i Gabriela M. Lando w MPI-PKS w Dreźnie uzasadniają tę interpretację, tj. ponowne zderzenie okresowych orbit. Ryc. 2 ilustruje klasyczną trajektorię (kolor zielony) w funkcji zmian rozkładu prawdopodobieństwa kwantowego pakietów fal elektronowych (tło) wychodzących z atomu po jonizacji impulsem XUV (fiolet) i napędzanych polem NIR (kolor czerwony).

Każde (ponowne) zderzenie elektronu z atomem helu (zielona linia przecina białą linię środkową) prowadzi do charakterystycznej modyfikacji i zwiększenia zależnego od czasu dipola atomowego (wynik szybkiej czerwono-niebieskiej oscylacji w pobliżu linii środkowej ), które można wykryć w attosekundowym eksperymencie spektroskopii absorpcyjnej.

Lider grupy, Christian Ott, jest optymistą co do przyszłego potencjału tego nowego podejścia. „Ogólnie rzecz biorąc, nasza technika pozwala badać napędzany laserem ruch elektronów w nowym trybie o niższym natężeniu i może być dalej stosowana w różnych systemach, np. do badania dynamiki elektronów napędzanych laserem w większych atomach lub cząsteczkach”.